Vyplňte nižšie uvedený formulár a my vám e-mailom pošleme PDF verziu dokumentu „Nové technologické vylepšenia na premenu oxidu uhličitého na kvapalné palivo“.
Oxid uhličitý (CO2) je produktom spaľovania fosílnych palív a najbežnejším skleníkovým plynom, ktorý sa dá udržateľným spôsobom premeniť späť na užitočné palivá. Jedným sľubným spôsobom premeny emisií CO2 na palivovú surovinu je proces nazývaný elektrochemická redukcia. Aby bol však proces komerčne životaschopný, je potrebné ho vylepšiť, aby sa dalo vybrať alebo vyrobiť viac požadovaných produktov bohatých na uhlík. Ako teraz uvádza časopis Nature Energy, Národné laboratórium Lawrencea Berkeleyho (Berkeley Lab) vyvinulo novú metódu na zlepšenie povrchu medeného katalyzátora použitého pre pomocnú reakciu, čím sa zvyšuje selektivita procesu.
„Hoci vieme, že meď je pre túto reakciu najlepším katalyzátorom, neposkytuje vysokú selektivitu pre požadovaný produkt,“ povedal Alexis, vedúci vedec na Katedre chemických vied v Berkeley Lab a profesor chemického inžinierstva na Kalifornskej univerzite v Berkeley. Spell povedal. „Náš tím zistil, že na dosiahnutie tohto druhu selektivity je možné použiť lokálne prostredie katalyzátora.“
V predchádzajúcich štúdiách výskumníci stanovili presné podmienky na zabezpečenie najlepšieho elektrického a chemického prostredia na vytváranie produktov bohatých na uhlík s komerčnou hodnotou. Tieto podmienky sú však v rozpore s podmienkami, ktoré sa prirodzene vyskytujú v typických palivových článkoch s použitím vodivých materiálov na báze vody.
Aby sa určil dizajn, ktorý sa dá použiť v prostredí vodných palivových článkov, Bell a jeho tím sa v rámci projektu Centra energetických inovácií Ministerstva energetiky Liquid Sunshine Alliance obrátili na tenkú vrstvu ionoméru, ktorá umožňuje prechod určitých nabitých molekúl (iónov). Iné ióny sú vylúčené. Vďaka svojim vysoko selektívnym chemickým vlastnostiam sú obzvlášť vhodné na to, aby mali silný vplyv na mikroprostredie.
Chanyeon Kim, postdoktorandský výskumník v skupine Bell a prvý autor článku, navrhol pokryť povrch medených katalyzátorov dvoma bežnými ionomérmi, Nafionom a Sustainionom. Tím predpokladal, že by to malo zmeniť prostredie v blízkosti katalyzátora – vrátane pH a množstva vody a oxidu uhličitého – tak, aby sa reakcia usmernila k produkcii produktov bohatých na uhlík, ktoré sa dajú ľahko premeniť na užitočné chemikálie, produkty a kvapalné palivá.
Výskumníci naniesli tenkú vrstvu každého ionoméru a dvojitú vrstvu dvoch ionomérov na medenú vrstvu podopretú polymérnym materiálom, čím vytvorili vrstvu, ktorú mohli vložiť blízko jedného konca elektrochemického článku v tvare ruky. Pri vstrekovaní oxidu uhličitého do batérie a privádzaní napätia merali celkový prúd pretekajúci batériou. Potom merali plyn a kvapalinu zhromaždené v priľahlej nádrži počas reakcie. V prípade dvoch vrstiev zistili, že produkty bohaté na uhlík predstavovali 80 % energie spotrebovanej reakciou – viac ako 60 % v prípade bez povlaku.
„Tento sendvičový povlak poskytuje to najlepšie z oboch svetov: vysokú selektivitu produktu a vysokú aktivitu,“ povedal Bell. Dvojvrstvový povrch je nielen vhodný pre produkty bohaté na uhlík, ale zároveň generuje silný prúd, čo naznačuje zvýšenie aktivity.
Výskumníci dospeli k záveru, že zlepšená odozva bola výsledkom vysokej koncentrácie CO2 nahromadenej v povlaku priamo na vrchu medi. Okrem toho, negatívne nabité molekuly, ktoré sa hromadia v oblasti medzi dvoma ionomérmi, spôsobia nižšiu lokálnu kyslosť. Táto kombinácia kompenzuje kompromisy v koncentrácii, ku ktorým dochádza v neprítomnosti ionomérnych filmov.
Aby sa ďalej zlepšila účinnosť reakcie, výskumníci sa ako ďalšiu metódu na zvýšenie CO2 a pH obrátili na predtým overenú technológiu, ktorá nevyžaduje ionomérny film: pulzné napätie. Aplikáciou pulzného napätia na dvojvrstvový ionomérny povlak výskumníci dosiahli 250 % nárast produktov bohatých na uhlík v porovnaní s nepotiahnutou meďou a statickým napätím.
Hoci niektorí výskumníci zameriavajú svoju prácu na vývoj nových katalyzátorov, objav katalyzátora nezohľadňuje prevádzkové podmienky. Riadenie prostredia na povrchu katalyzátora je nová a odlišná metóda.
„Nevymysleli sme úplne nový katalyzátor, ale využili sme naše znalosti reakčnej kinetiky a tieto poznatky sme použili ako vodítko pri premýšľaní o tom, ako zmeniť prostredie miesta, kde sa katalyzátor nachádza,“ povedal Adam Weber, vedúci inžinier, vedec v oblasti energetických technológií v Berkeley Laboratories a spoluautor článkov.
Ďalším krokom je rozšírenie výroby potiahnutých katalyzátorov. Predbežné experimenty tímu Berkeley Lab zahŕňali malé ploché modelové systémy, ktoré boli oveľa jednoduchšie ako veľkoplošné pórovité štruktúry potrebné pre komerčné aplikácie. „Nie je ťažké naniesť povlak na rovný povrch. Komerčné metódy však môžu zahŕňať poťahovanie malých medených guľôčok,“ povedal Bell. Pridanie druhej vrstvy povlaku sa stáva náročným. Jednou z možností je zmiešať a naniesť dva povlaky spolu v rozpúšťadle a dúfať, že sa oddelia, keď sa rozpúšťadlo odparí. Čo ak sa tak nestane? Bell dospel k záveru: „Musíme byť len múdrejší.“ Pozri Kim C, Bui JC, Luo X a ďalší. Prispôsobené katalytické mikroprostredie pre elektroredukciu CO2 na viacuhlíkové produkty s použitím dvojvrstvového ionomérneho povlaku na medi. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Tento článok je reprodukovaný z nasledujúceho materiálu. Poznámka: Materiál mohol byť upravený z hľadiska dĺžky a obsahu. Pre viac informácií kontaktujte citovaný zdroj.
Čas uverejnenia: 22. novembra 2021
